模塊化多電平矩陣變換器輸入輸出頻率相近時(shí)低頻運(yùn)行控制策略

李 峰 王廣柱

?

模塊化多電平矩陣變換器輸入輸出頻率相近時(shí)低頻運(yùn)行控制策略

李 峰 王廣柱

（山東大學(xué)電網(wǎng)智能化調(diào)度與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 濟(jì)南 250061）

提出了一種模塊化多電平矩陣變換器（M3C）輸入輸出頻率相近時(shí)的低頻運(yùn)行控制策略。方案采用橋臂電流反饋控制，實(shí)現(xiàn)輸入輸出側(cè)電流和內(nèi)部環(huán)流的三重控制，并約束內(nèi)部環(huán)流不影響輸入輸出側(cè)；電壓外環(huán)采用層次化電容電壓控制策略，包括M3C總電容電壓控制、輸入輸出側(cè)相間平衡控制以及橋臂間平衡控制，其中橋臂間平衡控制通過(guò)疊加高頻環(huán)流及零序電壓實(shí)現(xiàn)，并引入PR控制器實(shí)現(xiàn)差頻紋波的閉環(huán)抑制。該方案適用于輸入輸出側(cè)頻率相同的特例工況。通過(guò)OPAL-Rtlab半實(shí)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的可行性和有效性，以及優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)特性。

模塊化多電平矩陣變換器 模塊化多電平變換器 電流控制 電容電壓控制 低頻 環(huán)流

0 引言

級(jí)聯(lián)式模塊化多電平矩陣變換器（Modular Multilevel Matrix Converters，M3C）是一種新型級(jí)聯(lián)H橋型交-交變換器[1,2]，與模塊化多電平變換器（Modular Multilevel Converters，MMC）同屬模塊化多電平門類，具有易于模塊化、諧波含量低、可以任意功率因數(shù)功率雙向流動(dòng)、無(wú)需變壓器及大容量濾波裝置等顯著優(yōu)點(diǎn)，適用于現(xiàn)有各種MMC PWM調(diào)制方法[3-5]，非常適合中、高壓大容量直接交-交變換應(yīng)用場(chǎng)合。M3C通過(guò)各橋臂串聯(lián)電感，克服了傳統(tǒng)級(jí)聯(lián)H橋多電平矩陣變換器[6,7]因橋臂短路風(fēng)險(xiǎn)而控制復(fù)雜的缺陷。同時(shí)，由于M3C的對(duì)稱性，使得相對(duì)獨(dú)立的各橋臂支路均可當(dāng)作一個(gè)單相級(jí)聯(lián)逆變器，提高了M3C控制的靈活性，使其成為易擴(kuò)展的開放性拓?fù)?。因而M3C在電網(wǎng)發(fā)展中具有廣闊的應(yīng)用前景[8]。

M3C同樣需解決電容電壓均衡及內(nèi)部環(huán)流等問(wèn)題[9,10]，M3C由于直接交-交變換，電壓、電流頻率關(guān)系[10]相較MMC[11-13]更加復(fù)雜。文獻(xiàn)[10]得出當(dāng)輸入輸出側(cè)頻率相接近時(shí)，因差頻紋波引發(fā)的低頻波動(dòng)使子模塊電容電壓長(zhǎng)時(shí)間充/放電，導(dǎo)致嚴(yán)重偏離給定值，使M3C難以正常運(yùn)行于交流電機(jī)調(diào)速、電網(wǎng)互聯(lián)等應(yīng)用場(chǎng)合。目前國(guó)內(nèi)外鮮有M3C輸入輸出側(cè)頻率相近的低頻工況控制研究探討。文獻(xiàn)[14]通過(guò)疊加特定環(huán)流并控制輸入輸出側(cè)的無(wú)功功率實(shí)現(xiàn)了M3C低頻運(yùn)行，但環(huán)流量涉及輸入輸出側(cè)功率因數(shù)、頻率及相位等信息實(shí)時(shí)檢測(cè)，還受到無(wú)功功率控制的動(dòng)態(tài)影響，因而實(shí)現(xiàn)難度較大。文獻(xiàn)[15]僅從理論上給出了M3C在輸入輸出側(cè)頻率一致的特例工況下需滿足的相電壓及無(wú)功功率約束條件。實(shí)際上，由于輸入輸出量相互耦合，環(huán)流和零序電壓均可作為自由度抑制差頻紋波，同時(shí)各橋臂環(huán)流相較于單一的零序電壓控制更加靈活。在M3C電流控制方面，現(xiàn)有控制[16-18]大多是基于坐標(biāo)變換的解耦控制，但不同矢量組合的橋臂電流之間內(nèi)部環(huán)流分量無(wú)法通過(guò)矢量變換直接反映出來(lái)，從而導(dǎo)致橋臂內(nèi)部環(huán)流無(wú)法被電流反饋所抑制。而事實(shí)上，橋臂電流中包含了M3C輸入輸出側(cè)電流及內(nèi)部環(huán)流在內(nèi)的所有電流信息，因此控制橋臂電流就能同時(shí)對(duì)上述三種電流進(jìn)行有效控制。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種M3C輸入輸出側(cè)頻率相近時(shí)的低頻運(yùn)行控制策略。方案采用橋臂電流反饋控制，實(shí)現(xiàn)輸入輸出側(cè)電流和內(nèi)部環(huán)流的三重控制，并約束內(nèi)部環(huán)流不影響輸入輸出側(cè)。電壓外環(huán)采用M3C總電容電壓控制、輸入輸出側(cè)相間平衡控制以及橋臂間平衡控制。其中橋臂間平衡控制通過(guò)疊加高頻零序電壓并控制環(huán)流實(shí)現(xiàn)，同時(shí)引入PR控制器閉環(huán)抑制差頻紋波波動(dòng)。該方案同樣適用于輸入輸出側(cè)頻率相同的特例工況。最后通過(guò)OPAL-Rtlab半實(shí)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的可行性和有效性。

1 M3C基本原理

如圖1所示為3×3型M3C主電路拓?fù)?。圖1中，每個(gè)橋臂由個(gè)H橋子模塊和一個(gè)電感級(jí)聯(lián)而成，電感等效損耗部分用電阻表示，子模塊等效損耗部分用直流電容并聯(lián)等效電阻近似表示，、和分別為輸入、輸出相電壓及疊加的高頻零序電壓，其角頻率分別為、和，、及分別為輸入、輸出相電流及人為疊加的高頻環(huán)流，為橋臂端電壓，為橋臂電流，、（）分別為橋臂上第個(gè)子模塊的占空比和電容電壓，d表示各子模塊電容電壓額定值，為子模塊輸出電壓，、分別為輸入、輸出相功率因數(shù)角，為u與a的初始相位差，、分別為輸入輸出側(cè)的三相對(duì)稱相位。上述各量的下標(biāo)為、。各電氣量的正方向如圖1所示。輸入輸出側(cè)相電壓電流、零序電壓和環(huán)流分別為

（1）

（2）

2 M3C功率分析

2.1 M3C控制自由度

在輸入輸出側(cè)頻率相近時(shí)的低頻工況下，為選取M3C橋臂平衡控制自由度，對(duì)M3C進(jìn)行功率分析。

忽略電感的影響，可得M3C中a相橋臂的等效電路如圖2所示，橋臂電壓關(guān)系式為

圖2 M3C中a相橋臂等效電路

假設(shè)理想工況下，輸入輸出側(cè)電壓（電流）為三相對(duì)稱正序正弦波，各橋臂及子模塊參數(shù)對(duì)稱，穩(wěn)態(tài)時(shí)各子模塊自身消耗功率相同且電容電壓相等，輸入輸出側(cè)相電流在對(duì)應(yīng)相三橋臂的電流分量相等，分別為和。實(shí)際控制中橋臂電流可當(dāng)作可控電流源，此時(shí)、在橋臂的有功偏差電流和均可作為控制量調(diào)整橋臂的有功功率。假設(shè)、在橋臂的電流分量為、，則同橋臂電流分別表示為

（6）

橋臂及9個(gè)橋臂總的瞬時(shí)功率分別為

（7）

（8）

定義、相橋臂瞬時(shí)功率分別為、，即

相橋臂瞬時(shí)功率與三相橋臂平均瞬時(shí)功率之差分別為

（10）

橋臂瞬時(shí)功率與、相橋臂平均瞬時(shí)功率之差分別為

（11）

2.2 環(huán)流對(duì)于輸入輸出側(cè)的影響分析

環(huán)流作為控制量參與到相橋臂間平衡控制需滿足約束條件，以避免影響到輸入輸出側(cè)。

由橋臂間平衡控制得到的環(huán)流指令為

因此相橋臂環(huán)流之和分別為

（14）

由式（14）和式（15）得，在輸入輸出側(cè)頻率相近或相同工況下，相橋臂環(huán)流之和為0，不影響輸入側(cè)電流；相橋臂環(huán)流之和是否為0，取決于輸出各相間是否有功平衡，在滿足式（6）的條件下，由式（10）得到調(diào)節(jié)的有功分量，由此可實(shí)現(xiàn)輸出各相間的有功平衡。

3 M3C電容電壓平衡綜合控制策略

本文采用層次化M3C低頻運(yùn)行控制策略，分為橋臂電流反饋控制、總電容電壓平衡控制、輸入輸出側(cè)相間平衡控制及相橋臂間平衡控制。

3.1 橋臂電流控制實(shí)現(xiàn)

由式（5）知，橋臂電流中包含了M3C輸入輸出側(cè)相電流、內(nèi)部環(huán)流在內(nèi)的所有電流信息，因此只要控制M3C橋臂電流就能同時(shí)對(duì)上述三種電流進(jìn)行獨(dú)立有效控制。

由前述M3C功率分析可得，橋臂電流指令為

M3C橋臂電流直接控制策略如圖3所示，橋臂的公共PWM占空比信號(hào)分別由靜態(tài)占空比與電流控制器輸出疊加而成。

圖3 M3C橋臂電流控制器

Fig.3 Arm current controller of M3C

3.2 電容電壓平衡控制實(shí)現(xiàn)

輸入輸出側(cè)頻率相近時(shí)的低頻工況下，M3C電容電壓平衡控制如圖4所示，通過(guò)直接控制橋臂電流實(shí)現(xiàn)電容電壓平衡，不需要復(fù)雜解耦變換[16-18]。圖4中、分別為、相所有子模塊電容電壓經(jīng)低通濾波后的平均值，、分別為橋臂、M3C 9橋臂所有子模塊電容電壓經(jīng)低通濾波后的平均值，上標(biāo)ctrl代表控制器輸出，下標(biāo)m代表幅值，、分別代表相有功和無(wú)功電流指令值。

圖4 M3C低頻運(yùn)行綜合控制框圖

圖4中省略的同橋臂子模塊間平衡控制策略同MMC控制[19]所述方法一致，不再贅述。

對(duì)于相橋臂間平衡控制器，不同于傳統(tǒng)模塊化多電平變換器僅采用的電容電壓直流量反饋控制思路[9]。本文采用電容電壓直流量及差頻紋波的混合反饋，將波動(dòng)緩慢且巨大的低頻紋波電壓視作有用成分投入到閉環(huán)控制中，為降低甚至消除差頻紋波的穩(wěn)態(tài)控制誤差，可將控制器設(shè)計(jì)為PR調(diào)節(jié)器，即

差頻紋波電壓將跟蹤并收斂到平均值0附近克服了開環(huán)控制[14]難以抑制差頻紋波及控制復(fù)雜的缺陷。由于相橋臂間平衡控制只有兩個(gè)獨(dú)立控制量，另一橋臂控制的參考電流可由其他兩控制器輸出代替，即

（18）

4 實(shí)驗(yàn)

下面用OPAL-Rtlab對(duì)輸入輸出側(cè)頻率相近時(shí)的M3C低頻運(yùn)行控制策略進(jìn)行半實(shí)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其中控制器由Rtlab OP5142模擬系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，10kW M3C主電路（含M3C黑啟動(dòng)控制開關(guān)、子模塊電容、電壓及橋臂電流和交流側(cè)線電壓采樣電路等）由Rtlab ML605目標(biāo)機(jī)模擬，兩者同步并聯(lián)，可分別獨(dú)立模擬與實(shí)現(xiàn)電壓、電流信號(hào)反饋及PWM等控制，該方案可進(jìn)一步縮短實(shí)際控制方案及其控制器等開發(fā)環(huán)節(jié)的周期。實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

Tab.1 Experiment parameters

工況1：額定電壓下，首先M3C工作在輸出交流側(cè)吸收額定有功電流的條件下，在10s時(shí)突變?yōu)榘l(fā)出額定有功電流，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。可以看出，輸入輸出側(cè)相電流、橋臂電流控制及電容電壓平衡控制性能優(yōu)良，電容電壓波動(dòng)在5%范圍內(nèi)，電容電壓紋波包絡(luò)線頻率為輸入輸出側(cè)頻率之差，與理論推導(dǎo)及控制策略相符。

（a）輸出、輸入側(cè)相電流

（b）a相、u相橋臂電流

（c）a相、u相子模塊電容電壓、M3C輸出側(cè)吸收的有功功率

工況2：額定電壓下，首先M3C工作在輸出交流側(cè)為額定感性電流指令的條件下，在10s時(shí)突變?yōu)轭~定容性電流，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?，無(wú)功切換過(guò)程中，輸入輸出側(cè)相電流、橋臂電流控制性能優(yōu)良，純無(wú)功交換過(guò)程中輸入相電流幅值很小，電容電壓在切換過(guò)程中有較好動(dòng)態(tài)響應(yīng)，波動(dòng)范圍在10%范圍內(nèi)，證明了控制策略的有效性。

（a）輸出、輸入相電流

（b）a相、u相橋臂電流

（c）a相、u相子模塊電容電壓、M3C輸出側(cè)吸收的無(wú)功功率

工況3：額定電壓下，M3C工作輸入輸出側(cè)頻率相同的特例工況下，其他實(shí)驗(yàn)條件同工況1，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯?，在特例工況下M3C正常運(yùn)行，在有功電流切換過(guò)程中，輸入相電流及橋臂電流控制有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)特性，電容電壓紋波可以控制在10%范圍內(nèi)，證明了在輸入輸出側(cè)頻率一致的特例工況下控制策略的有效性。

（a）輸出、輸入相電流

（b）a相、u相橋臂電流

（c）a相、u相子模塊電容電壓、M3C輸出側(cè)吸收的有功功率

工況4：額定電壓下，在輸入輸出側(cè)頻率相同的特例工況下，其他實(shí)驗(yàn)條件同工況2，M3C實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯觯乩r在無(wú)功切換過(guò)程中被有效控制，輸入輸出側(cè)相電流、橋臂電流控制動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速，電容電壓紋波可以控制在10%范圍內(nèi)。結(jié)合工況3，本文所提控制策略適用于輸入輸出側(cè)頻率一致的特例工況。

（a）輸出、輸入相電流

（b）a相、u相橋臂電流

（c）a相、u相子模塊電容電壓、M3C輸出側(cè)吸收的無(wú)功功率

總之，驗(yàn)證結(jié)果表明：在輸入輸出側(cè)頻率相近甚至相同的工況下，M3C有功功率切換、無(wú)功功率切換過(guò)程中橋臂電流控制均具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和控制性能，M3C低頻運(yùn)行綜合控制策略可以實(shí)現(xiàn)電容電壓平衡兼顧差頻紋波抑制，證明了該方案的可行性和有效性。

5 結(jié)論

本文提出一種M3C輸入、輸出側(cè)頻率相近時(shí)的低頻運(yùn)行控制策略。方案采用層次化電容電壓控制策略，包括M3C總電容電壓控制、輸入輸出側(cè)相間平衡控制及橋臂間平衡控制，其中橋臂間平衡采用PR控制器，通過(guò)疊加高頻零序電壓及環(huán)流對(duì)差頻紋波電壓進(jìn)行閉環(huán)反饋控制；電流內(nèi)環(huán)采用橋臂電流反饋控制，可實(shí)現(xiàn)輸入輸出側(cè)相電流、內(nèi)部環(huán)流（含輸入輸出側(cè)相間平衡控制調(diào)整電流及高頻環(huán)流）三重控制，并約束內(nèi)部環(huán)流不影響輸入輸出側(cè)。該方案同樣適用于輸入輸出側(cè)頻率相同的特例工況。最后在不同工況下，通過(guò)OPAL-Rtlab半實(shí)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方案的可行性和有效性。

參考文獻(xiàn)：

[1] Winkelnkemper M, Korn A, Steimer P. A modular direct converter for transformerless rail interties[C]// IEEE International Symposium on Industrial Electronics (ISIE), Bari, Italy, 2010: 562-567.

[2] Schoening S, Steimer P K, Kolar J W. Braking chopper solutions for modular multilevel converters[C]// Power Electronics and Applications (EPE 2011), Birmingham, Britain, 2011: 1-10.

[3] 袁義生, 朱本玉. 一種基于耦合電感的模塊化多電平變流器控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 30(6): 216-224.

Yuan Yisheng, Zhu Benyu. Control strategy of a modular multilevel converter based on coupled inductor[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(6): 216-224.

[4] 劉國(guó)偉, 姜齊榮, 魏應(yīng)冬. 低頻率工況下模塊化多電平變流器電容電壓平衡控制策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2014, 29(8): 166-172.

Liu Guowei, Jiang Qirong, Wei Yingdong. Study on capacitor voltage balancing control of modular multilevel converters at low frequency[J]. Transa- ctions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(8): 166-172.

[5] 黃守道, 彭也倫, 廖武. 模塊化多電平型變流器電容電壓波動(dòng)及其抑制策略研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 30(7): 62-71.

Huang Shoudao, Peng Yelun, Liao Wu. Study of capacitor voltage fluctuation and its suppression for modular multilevel converter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(7): 62-71.

[6] Erickson R W, Al-Naseem O A. A new family of matrix converters[C]//the 27th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, Denver, America, Denver, CO, 2001: 1515-1520.

[7] Angkititrakul S, Erickson R W. Control and implementation of a new modular matrix conver- ter[C]//IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, Texas, America, 2004: 813-819.

[8] Clare J. Modular high power converter topolo- gies[C]//Power Electronics 2010: Improving the Efficiency of the Power Grid, Birmingham, Britain, 2010: 1-57.

[9] 李峰, 王廣柱, 劉汝峰. 模塊化多電平矩陣變換器低頻控制方法[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2016, 40(2): 127-133.

Li Feng, Wang Guangzhu, Liu Rufeng. A low- frequency control scheme for modular multilevel matrix converter[J]. Automation of Electric Power Systems, 2016, 40(2): 127-133.

[10] 李峰, 王廣柱. 模塊化多電平矩陣變換器電容電壓紋波穩(wěn)態(tài)分析[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2013, 33(24): 52-58.

Li Feng, Wang Guangzhu. Steady-state analysis of sub-modular capacitors voltage ripple in modular multilevel matrix converters[J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(24): 52-58.

[11] 高建, 蘇建徽, 高航, 等. 模塊化多電平換流器電容電壓與環(huán)流的控制策略[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2014, 42(3): 56-62.

Gao Jian, Su Jianhui, Gao Hang, et al. Capacitor voltage and circulation current control strategy in modular multilevel converter[J]. Power System Protection and Control, 2014, 42(3): 56-62.

[12] 李爽, 王志新, 吳杰. 采用基頻零序分量注入的MMC換流器故障容錯(cuò)控制研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2014, 42(17): 1-7.

Li Shuang, Wang Zhixin, Wu Jie. Study on fault-tolerant operation control strategy of modular multilevel converters injected with fundamental- frequency zero-sequence voltage component[J]. Power System Protection and Control, 2014, 42(17): 1-7.

[13] 蔣冠前, 李志勇, 楊慧霞, 等. 柔性直流輸電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究綜述[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2015, 43(15): 145-153.

Jiang Guanqian, Li Zhiyong, Yang Huixia, et al. Research review on topological structure of flexible HVDC system[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(15): 145-153.

[14] Kawamura W, Hagiwara M, Akagi H. A broad range of frequency control for the modular multilevel cascade converter based on triple-star bridge-cells (MMCC-TSBC)[C]//Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), Denver America, 2013: 4014-4021.

[15] Korn A J, Winkelnkemper M, Steimer P, et al. Direct modular multi-level converter for gearless low-speed drives[C]//Power Electronics and Applications (EPE 2011), Birmingham, Britain, 2011: 1-7.

[16] Kammerer F, Kolb J, Braun M. A novel cascaded vector control scheme for the modular multilevel matrix converter[C]//IECON 37th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society, Melbourne, Australia, 2011: 1097-1102.

[17] Kammerer F, Kolb J, Braun M. Fully decoupled current control and energy balancing of the Modular multilevel matrix converter[C]//IEEE Power Elec- tronics and Motion Control Conference, Novi Sad, Serbia, 2012: 1-9.

[18] Kawamura W, Hagiwara M, Akagi H. Experimental verification of a modular multilevel cascade conver- ter based on triple-star bridge-cells (MMCC-TSBC) for motor drives[C]//Future Energy Electronics Con- ference (IFEEC), Taiwan, 2013: 454-459.

[19] Lanhua Z, Guangzhu W. Voltage balancing control of a novel modular multilevel converter[C]//Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies, Weihai, China, 2011: 109-114.

Control Strategy for Low Frequency Operation of Modular Multilevel Matrix Converters with Similar Input and Output Frequencies

（Key Lab of Power System Intelligent Dispatch and Control Ministry of Education Shandong University Jinan 250061 China）

This paper provided an integrated control strategy for low frequency operation of M3C with similar input and output frequencies. Herein, the arm current direct control was used, which could control the input and output phase currents as well as circulating currents simultaneously without any inner circulating current controller. The outer-loop capacitor voltage control was based on hierarchy structure, including overall voltage control, inter-phase balancing control and arm-balancing control. The high components of circulating current and zero sequence voltage were added simultaneously to the arm-balancing control, which employed proportional and resonant (PR) regulator to inhibit difference-frequency ripple voltage. The strategy is suitable for the special operation with equal input and output frequencies. Lastly the excellent dynamic and static characteristics of the strategy are verified under different operating conditions via the OPAL-Rtlab experimental system.

Modular multilevel matrix converters, modular multilevel converters, current control, capacitor voltage control, low frequency circulating current

TM46

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51177095，51541708）。

2015-08-18 改稿日期 2016-01-27

李 峰 男，1986年生，博士，主要研究方向?yàn)楣β首儞Q器及其控制。E-mail: feng_li@mail.sdu.edu.cn（通信作者）

王廣柱 男，1963年生，教授，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)代電力電子技術(shù)及應(yīng)用和電纜故障診斷技術(shù)。E-mail: sdwgz@163.com